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玻璃纤维的性能及应用   

2010-04-11 20:00:51|  分类: 深度探索 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    材料是工程技术的基础,工程技术的发展,在很大程度上取决于新材料的开发与应用。玻璃纤维就是一种新开发的现代纺织复合材料。纺织复合材料是以纺织原料为骨架而构成的一种新材料,它可以应用于国民经济的众多领域。纺织复合材料的应用与发展,给工业界带来了革命性的变革。纺织复合材料的加工与生产,给传统的纺织工业注入了新的活力。

玻璃纤维作为其中的一种,其产品是一类新的现代纺织品,生产的产品由于具有普通纤维所不具有的很多性能,且通常采用高技术制成,所以又称为高性能纤维,大多应用在特殊或高技术领域,它的诞生必将促进纺织复合材料的发展。

2 玻璃纤维的发展

玻璃纤维有较长的发展历史。上世纪三十年代,美国人发明了用铂坩埚连续拉制玻璃纤维和用蒸汽喷吹玻璃棉的工艺后,玻璃纤维的生产才形成了现代工业。随着近代科学技术的发展,对玻璃纤维的力学、耐热等性能提出了更高的要求,促使六十年代以来出现了许多特种玻璃纤维,如耐高温玻璃纤维、高强度玻璃纤维、高模量玻璃纤维等。在高性能玻璃纤维的发展过程中最引人注目的是1996年3月在第41次SAMPE国际会议上,道康宁公司首次发表的高强度玻璃纤维"ZenTron”,它是以高硅含量玻璃为原料制成,采用被称为Single-bushing(单套管)或Single-end(单头)30型的技术成纤的。此产品后处理工序少,可防止纤维的损伤,并能降低成本。

我国研究玻璃纤维也有几十年的历史。早在1958年,我国以手糊工艺研制了玻璃钢船,以层压和卷制工艺研制了玻璃钢板和火箭筒等。1960年在北京、上海和哈尔滨相继成立了科研机构。1961年研制成功了玻璃纤维耐烧蚀端头,1970年用手糊夹层结构板制造了44m大型玻璃雷达罩,1975年成立了玻璃钢学会,1983年中国建筑材料研究院试制成功了抗碱玻纤增强硫酸铝酸盐低碱水泥复合材料,1988年武汉工业大学研究成功高性能玻纤增强氯氧镁复合材料,目前,这两种复合材料均已形成工业化生产规模,在建筑工程中广泛用于墙体、防火门、水箱、通风管道、卫生间吊顶、温室框架和艺术制品等。

3 玻璃纤维的制造

用于纺织加工的玻璃纤维有长丝和短纤维两种。可以采用传统的纺织工艺将长丝制成各种产品,而短纤维多被加工成非织造布。制造玻璃纤维使用的原料主要有硅土、石灰石、粘土、萤石、硼酸及硫酸钠等。将这些原料通过空气管道输送到计量秤上,然后在混合室混合均匀,通过供料筒,喂入熔矿炉。在熔矿炉中,混合原料被加热至1600°C,形成液态玻璃,缓慢地流向纺丝板。纺丝板上喷丝孔的数目可为200、400、600、800或更多。高粘度的玻璃熔体再流过喷丝孔,由高速卷绕装置将纤维拉伸卷绕,便制得玻璃长丝。一般单丝的直径为6~13μm,通过改变纺丝板的温度可以调节单丝的直径。在制造时,为了保证玻璃纤维在纺纱等后加工过程中的加工性能,可以在玻璃纤维呈液态时加入一定量的粘合剂、润滑剂、反应基、抗静电剂等整理剂。

4 玻璃纤维的性能

4.1 力学性能

下表给出了玻璃纤维、碳纤维和部分常用纺织纤维及金属材料的主要性能。

材料种类

密度(g/cm3)

断裂强度(N)

伸长率(%)

玻璃纤维

2.54

1370~1470

2~3

1.50

255~686

7~10

蚕丝

1.25

392~520

1.3~31

锦纶

1.14

44~588

26~32

碳纤维

1.80

2790~3100

1.5~1.6

2.70

127~177

4~8

7.80

363~441

20~30

从表中可以看出,玻璃纤维在以下几个方面具有独特的性能。

(1)密度玻璃纤维的密度高于有机纤维,但低于金属纤维。

(2)断裂强度玻璃纤维具有较高的拉伸强度,在相同重量时,其断裂强度比钢丝高2~4倍。因而人们又称它为玻璃钢。

(3)尺寸稳定性玻璃纤维不会因环境温度变化而变形,最大伸长率仅为3%。玻璃纤维的应力应变之间保持线性关系,直至断裂。

(4)硬度玻璃纤维的硬度较高,约为锦纶的15倍。玻璃纤维的硬度与其固有的脆性相结合,构成了突出的低弯曲阻抗性。在对玻璃纤维进行纺织加工的过程中,玻璃纤维会受到弯曲应力,为了提高纤维的弯曲阻抗性,其直径应减少。

4.2 耐热性能

玻璃纤维是一种无机纤维,它本身不会引起燃烧,并且有很好的耐热性,这在纺织纤维中是很独特的。玻璃纤维在较低的温度下受热,其性能虽变化不大,但会引起收缩现象。玻璃纤维的导热系数非常小,因而它常用于管道和容器的隔热,以及作为成型件的绝缘壳。

4.3 化学稳定性能

玻璃纤维的化学稳定性,取决于其化学组成、介质性质、温度和压力等条件。玻璃纤维对腐蚀性化学品如酸和碱,有好的阻抗,它几乎不受有机溶剂的影响,并对大多数无机化合物是稳定的。

4.4 电性能

玻璃纤维具有高的比电阻和低的电介质常数。玻璃纤维的电性能主要取决于玻璃的化学成分,特别是碱氧化物的含量。

4.5 其它性能

玻璃纤维具有耐老化、防腐、防霉、抗紫外线辐射等性能。采用合适的表面处理剂,可以改善玻璃纤维的加工性能。但玻璃纤维也存在一些由于其本身化学性质所带来的性能方面的缺陷,如玻璃纤维脆性大,耐磨性差,柔软性差,不耐弯曲。纤维断落的纤维头,触及人体使人难受,特别会使皮肤发痒。再者,玻璃纤维吸湿性差,染色困难。制造成本较高。

5 玻璃纤维的应用

不同的纺织复合材料,造价与性能不同,应用领域也不同。到目前为止,玻璃纤维在很多领域都有应用。

5.1 土木建筑

在建筑业,玻璃纤维已广泛应用于冷却塔、储水塔以及卫生间的浴盆浴缸、门窗,安全帽和通风设备等。另外由于玻璃纤维不易沾污、隔热和不燃烧,因此它在建筑装饰上应用日益广泛。玻璃纤维在基础设施中应用,主要有桥梁、码头、栈桥和临水结构等。沿海和岛上的建筑容易受到海水的腐蚀,这最能发挥玻璃纤维材料的特长。

5.2 交通运输

玻璃纤维用于交通运输主要是在航空航天工业和汽车及火车制造工业上。目前,波音747飞机使用玻璃纤维复合材料构件的总面积已达到929m2。玻璃纤维可用作汽车的零部件,轿车的整体壳体,还可以用来制造渔船,其工艺简单,防腐防蚀,维修频数和保养费低,使用寿命长。

5.3 机械工业

用玻璃纤维增强后的聚苯乙烯系塑料,其机械性能,制品的尺寸稳定性以及耐热耐冲击强度都有很大的提高,广泛用于家用电器零件、机壳等。玻璃纤维增强聚甲醛还被广泛地用来代替有色金属,用于制造传动零件,如轴承、齿轮和凸轮等。

5.4 化学工业

化学工业设备腐蚀严重,玻璃纤维的出现给化学工业带来了光明的前景。玻璃纤维主要用于制造各种槽、罐、塔、管道、泵、阀和风机等化工设备及配件。玻璃纤维耐腐蚀,强度高,使用寿命长,但一般只能用于低压或常压设备,且温度不超过120℃。

此外,玻璃纤维在绝缘、防热、增强和过滤等材料方面,已在很大程度上取代了石棉。同时,玻璃纤维在新能源开发、环保、旅游和工艺美术等诸多方面,也得到了应用。

6 结束语

高性能纤维是一种技术密集,投资巨大的工业产品。由于它优异的物理机械等性能,现已应用于很多领域。近十年来对高性能纤维的需求增长了近10倍。据估计,未来十年中高性能纺织纤维的年增长率为15~20%。预计到2010年,汽车工业使用材料的25%,机械行业材料的17%,飞机材料的10%,将会用这些高性能的纺织材料制作。而玻璃纤维作为其中的一种,也将会得到很大的发展。

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